2023年實(shí)驗(yàn)報(bào)告半導(dǎo)體泵浦激光原理

半導(dǎo)體泵浦激光原理實(shí)驗(yàn)學(xué)號(hào)：09３2７0８５姓名：曹武班別:光信二班合作人：程昌、譚宇婷實(shí)驗(yàn)日期:３-14組別:B11【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私馀c掌握半導(dǎo)體泵浦激光原理及調(diào)節(jié)光路方法。掌握腔內(nèi)倍頻技術(shù),并了解倍頻技術(shù)的意義。掌握測(cè)量閾值、相位匹配等基本參數(shù)的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】8０8nm半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器可調(diào)電源、Nd:YVO【實(shí)驗(yàn)原理】光與物質(zhì)的互相作用可以歸結(jié)為光與原子的互相作用,有三種過程：吸取、自發(fā)輻射和受激輻射。假如一個(gè)原子，開始處在基態(tài),在沒有外來光子，將保持不變,假如有一個(gè)能量為hυ21的光子接近,則它吸取這個(gè)光子，處在激發(fā)態(tài)E2激發(fā)態(tài)壽命很短，在不受外界影響時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地返回基態(tài),并放出光子。自發(fā)輻射過程與外界作用無關(guān),由于各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)、獨(dú)立進(jìn)行的，因而不同原子發(fā)出來的光子的發(fā)射方向和初相位是不同的。處在激發(fā)態(tài)的原子,在外的光子的影響下，會(huì)從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并在兩個(gè)狀態(tài)的能量差以輻射光子的形式發(fā)出去。只有外來光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差時(shí),才干引起受激輻射，且受激輻射發(fā)出的光子與外來光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全相同。激光的產(chǎn)生重要依賴受激輻射過程。激光器重要有：工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源組成。工作物質(zhì)重要提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦過程使粒子從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3，E3上的粒子通過無輻射躍遷(該過程粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝?dòng)能，但不輻射光子)，迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2。E2是一個(gè)壽命較長的能級(jí)，這樣處在E2的粒子不斷累積,激光產(chǎn)生必須有能提供光學(xué)正反饋的諧振腔。處在激發(fā)態(tài)的粒子由于不穩(wěn)定性而自發(fā)輻射到基態(tài),自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子各個(gè)方向都有,偏離軸向的光子不久逸出腔外,只有沿軸向的光子,部分通過輸出鏡輸出,部分被反射回工作物質(zhì)，在兩個(gè)反射鏡間往返多次被放大,形成受激輻射的光放大即產(chǎn)生激光。光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法。激光倍頻是將頻率為ω的光，通過晶體中的非線性作用,產(chǎn)生頻率為2ω的光。當(dāng)光與物質(zhì)互相作用時(shí),物質(zhì)中的原子會(huì)因感應(yīng)而產(chǎn)生電偶極矩。單位體積內(nèi)的感應(yīng)電偶極矩疊加起來,形成電極化強(qiáng)度矢量。電極化強(qiáng)度產(chǎn)生的極化場(chǎng)發(fā)射出次級(jí)電磁輻射。當(dāng)外加光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度比物質(zhì)原子的內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)小得多時(shí)，物質(zhì)感生的電極化強(qiáng)度與外界電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。P=在激光沒有出現(xiàn)前，當(dāng)有幾種不同頻率的光波同時(shí)與該物質(zhì)作用時(shí)，各種頻率的光都線性獨(dú)立地反射、折射和散射,滿足波的疊加原理,不會(huì)產(chǎn)生新的頻率。當(dāng)外界光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)(如激光）,物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與場(chǎng)強(qiáng)具有非線性關(guān)系：P=αE+β式中α，考慮電場(chǎng)的平方項(xiàng)E=P出現(xiàn)直流項(xiàng)和二倍頻項(xiàng)cos2ωt,直流項(xiàng)稱為光學(xué)整流,當(dāng)激光以一定角度入射到倍頻晶體時(shí)，在晶體產(chǎn)生倍頻光，產(chǎn)生倍頻光的入射角稱為匹配角。倍頻光的轉(zhuǎn)換效率為倍頻光與基頻光的光強(qiáng)比,通過非線性光學(xué)理論可以得到：η=式中L為晶體長度,Iω、I在正常色散情況下，倍頻光的折射率n2ω總是大于基頻光的折射率，所以相位失配，雙折射晶體中的o光和e光折射率不同,且ｅ光的折射率隨著其傳播方向與光軸間夾角的變化而改變,可以運(yùn)用雙折射晶體中ｏ光、e【實(shí)驗(yàn)裝置】圖4實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)使用808nmLD泵浦晶體得到1．064μm近紅外激光，再運(yùn)用ＫＴＰ晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻得到0．５３μm的綠激光，長度為3x3x１mｍ摻雜濃度３ａt(yī)%α軸向切割Nd:YVO4晶體作為工作介質(zhì),入射到內(nèi)部的光約95%被吸取,采用ΙΙ類相位匹配2x2x５mｍKTP晶體作為倍頻晶體,它的通光面同時(shí)對(duì)1．０６4μm、0.53μm高透，采用端面泵浦以提高空間耦合效率,用等焦距為3ｍm的梯度折射率透鏡收集８08LD激光聚焦成0.1μm的細(xì)光束,使光束束腰在Nd:YVO4晶體內(nèi)部，諧振腔為平凹型,后腔片受熱后彎曲。輸出鏡用K9玻璃,R為50mm，對(duì)８08.5，1【操作環(huán)節(jié)】將808nmLD固定在二維調(diào)節(jié)架，將He-Ｎe63２．nｍ紅光通過白屏小孔聚到折射率梯度透鏡上。讓He－Ｎe激光和小孔及808ｎmLD在同一軸線上。將Nd:YVO將輸出鏡固定在四維調(diào)節(jié)架上。調(diào)節(jié)輸出鏡使返回光點(diǎn)通過小孔。對(duì)于有一定曲率的輸出鏡，會(huì)有幾個(gè)光斑,應(yīng)區(qū)分從球心返回的光斑。在Nd:YVO產(chǎn)生５32nm倍頻綠激光。調(diào)節(jié)輸出鏡,LD調(diào)節(jié)架,使53２nm綠光功率最大?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析】表1光源電流與光功率關(guān)系可調(diào)光源電流I/mA２０4０6０8010012０１40１60180２０08０8nmLD激光光功率P／mＷ0.０４0.１00.201．9５7.０３13．32０.１27.53５．443.1可調(diào)光源電流I/mＡ220２４０2６0280３0０320３４0３6０380400808nmＬD激光光功率Ｐ/mW４９.0５3.７59.０6３．９６９．575．4８2．19１.210１.3１１0．5將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Oｒiｇin８.５,并擬合為平滑曲線如下：圖4實(shí)驗(yàn)測(cè)得LＤ的PＩ特性曲線由激光原理可知:工作物質(zhì)一定期,LD輸出激光頻率與諧振腔長度和激勵(lì)源強(qiáng)度有關(guān),即輸出頻率取決于PＮ結(jié)溫度和注入電流大小。一般半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特性如圖５所示?？梢钥闯鲈跍囟纫欢ㄆ?驅(qū)動(dòng)電流低于閾值電流(門限電流）時(shí),激光器輸出功率趨近于零，此即為LD熒光區(qū);只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流高于閾值電流時(shí)才干產(chǎn)生激光,即為激光區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，輸出功率隨電流I的增大而迅速呈似線性式增大。圖5半導(dǎo)體LD一般PI特性曲線對(duì)比圖5,從圖4可看出實(shí)驗(yàn)測(cè)得PI曲線大體符合理論,一定限度說明數(shù)據(jù)對(duì)的性?？扇菀卓闯鰧?shí)驗(yàn)所用808ｎmＬD的門限電流大體在70mＡ左右。在激光區(qū)的線性擬合度不是很高,特別在220mA附近。這是由于光功率計(jì)示數(shù)不穩(wěn)定且波動(dòng)較大,并且外光源（如臺(tái)燈，走廊燈等）的影響也較大，但是不改變曲線的整體趨勢(shì)。表2激勵(lì)源電流與5３2ｎm綠色激光光功率關(guān)系及轉(zhuǎn)換效率激勵(lì)電流I/mA3００32０34０3603804０0降序綠激光功率P10.2３6０.245０.30７0．380０.4500.5３０升序綠激光功率P20.２360.2８９０．30７0.4３00.４８０0.5７1綠激光功率平均值P／mW0.2３6０.2670.30７0.4050．４530．５５1808nmＬD激光功率P’69.57５.482.１91．２1０１.3110．５轉(zhuǎn)換效率η0．3４％０．35％0.３7%0．44%0.４5％0．50％注：η=由上表數(shù)據(jù)可看出:隨激勵(lì)電流的增大（或者說LD光功率增大)，532ｎm綠激光的轉(zhuǎn)換效率整體上呈增長趨勢(shì)。經(jīng)查閱資料,實(shí)驗(yàn)所得轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)小于一般ＬD泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率。導(dǎo)致偏低的因素也許有：(1）透鏡或出射窗有污漬影響光強(qiáng)輸出。(2）ＫＴP晶體損壞(實(shí)驗(yàn)過程確有碰到晶體損壞，更換ＫTP晶體才明顯看到綠色激光光功率增強(qiáng))。（３）光路調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)直,重要器件的光軸不在同一條水平線上。（4)激光未能在增益介質(zhì)膜中多次振蕩便出射,光強(qiáng)增益放大局限性。（5)光功率計(jì)數(shù)值顯示不穩(wěn)定，LＤ激光輸出自身也不十分穩(wěn)定,測(cè)量讀數(shù)會(huì)有一定誤差。再將升序、降序（對(duì)電流而言)測(cè)得的功率值以激勵(lì)電流為橫坐標(biāo)，導(dǎo)入Origin８．５，并擬合為平滑曲線如下圖：圖6綠色激光(波長為532nm）的PＩ特性曲線由上圖可以看出,當(dāng)激勵(lì)電流一定期，不管是升序還是降序，測(cè)得的綠激光光功率最大值相差甚小,但整體來說，升序測(cè)得的數(shù)據(jù)略大于降序測(cè)得的數(shù)據(jù)。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中升序降序所取電流值一一相應(yīng),而降序過程中由于起始激勵(lì)電源高,散熱慢而導(dǎo)致光路系統(tǒng)（器件）溫度會(huì)略高于升序時(shí)的溫度。由于溫度的升高會(huì)引起某些方向振動(dòng)模式增益得到加強(qiáng),某些方向振動(dòng)模增益得到減弱。推測(cè)：1、降序系統(tǒng)溫度偏高,綠光53２ｎm激光振動(dòng)模式增益得到削弱所致；2、電流一定的情況下,隨著溫度升高，半導(dǎo)體激光器LD的閾值電流增大,導(dǎo)致發(fā)光功率減少?！緦?shí)驗(yàn)總結(jié)】本實(shí)驗(yàn)大體重要過程環(huán)節(jié)為：用波長為808nｍ的半導(dǎo)體激光光源作為固體增益介質(zhì)Nd:YVO4晶體的泵浦光源,從而得到波長為1064nm的紅外激光，運(yùn)用He-Ne激光器進(jìn)行光路準(zhǔn)直校準(zhǔn),使激光通過KTP倍頻晶體,運(yùn)用其非線性作用可得波長為532nm的綠色激光，再稍微調(diào)整晶體和透鏡調(diào)節(jié)架，使得綠激光光最為關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)是光路的準(zhǔn)直校準(zhǔn),具體環(huán)節(jié)如下：將小孔光屏置于軌道上，打開準(zhǔn)直He-Nｅ激光光源。將光屏從靠近He-Nｅ光源一端向遠(yuǎn)端移動(dòng)，直至準(zhǔn)直光能所有透過小孔。（物鏡、輸出鏡、ＫＴＰ晶體等獨(dú)立非固定器件先不放在光軌上)將物鏡放置在離泵浦光源距離為５０mm左右的位置(物鏡靠LD側(cè)貼膜Nd:YVO4實(shí)為增益介質(zhì))。打開泵浦光源（實(shí)驗(yàn)設(shè)立為３00mA輸出電流)，觀測(cè)光斑是否在物鏡正中心，注意中心光斑應(yīng)為白色或亮黃色,區(qū)別于其他的紅色反射光點(diǎn)?？烧{(diào)節(jié)物鏡四維調(diào)節(jié)架旋鈕使將輸出鏡放上軌道，打開準(zhǔn)直光源進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)光點(diǎn)隨輸出鏡旋鈕扭動(dòng)方向的移動(dòng)，判斷物鏡與輸出鏡是否嚴(yán)格平行。關(guān)閉Ｈe－Ne準(zhǔn)直光源。將